本文将介绍利用朴素的 RNN 模型进行时间序列预测
比方说现在我们有如下图所示的一段正弦曲线,输入红色部分,通过训练输出下一段的值
首先分析一下,假设我们一次输入 50 个点,batch 设为 1,每个点就一个值,所以 input 的 shape 就是 [50, 1, 1]
,这里我们换一种表示形式,把 batch 放在前面,那么 shape 就是 [1, 50, 1]
,可以这么理解这个 shape,1 条曲线,一共有 50 个点,每个点都是 1 个实数
- import numpy.random import randint
- import numpy as np
- import torch
- from torch import nn, optim
- from matplotlib import pyplot as plt
-
- num_time_steps = 50
- start = randint(3) # [0, 3)
- time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps) # 返回num_time_steps个点
- data = np.sin(time_steps) # [50]
- data = data.reshape(num_time_steps, -1) # [50, 1]
- x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1) # 0~48
- y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1) # 1~49
start
表示的含义从几何上来说就是图上红色左边框的对应的横坐标的值,因为我们要确定一个起点,从这个起点开始向后取 50 个点,如果每次这个起点都是相同的,就会被这个网络记住
x
是 50 个数据点中的前 49 个,我们利用这 49 个点,每个点都向后预测一个单位的数据,得到 $\hat y$,然后将 $\hat y$ 与 $y$ 进行对比
接下来是构建网络架构
- class Net(nn.Module):
- def __init__(self):
- super(Net, self).__init__()
- self.rnn = nn.RNN(
- input_size=input_size,
- hidden_size=hidden_size,
- num_layers=1,
- batch_first=True,
- )
- self.linear = nn.Linear(hidden_size, output_size)
-
- def forward(self, x, h0):
- out, h0 = self.rnn(x, h0)
- # [b, seq, h] => [seq, h]
- out = out.view(-1, hidden_size)
- out = self.linear(out) # [seq, h] => [seq, 1]
- out = out.unsqueeze(dim=0) # => [1, seq, 1]
- return out, h0
首先里面是一个 simple RNN,其中有个参数 batch_first
,因为我们数据传入的格式是 batch 在前,所以要把这个参数设为 True。RNN 之后接了个 Linear,将 memory 的 size 输出为 output_size=1
方便进行比较,因为我们就只需要一个值
然后我们定义网络 Train 的代码
- model = Net()
- criterion = nn.MSELoss()
- optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr)
-
- h0 = torch.zeros(1, 1, hidden_size) # [b, 1, hidden_size]
-
- for iter in range(6000):
- start = np.random.randint(3, size=1)[0]
- time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps)
- data = np.sin(time_steps)
- data = data.reshape(num_time_steps, 1)
- x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
- y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
-
- output, h0 = model(x, h0)
- h0 = h0.detach()
-
- loss = criterion(output, y)
- model.zero_grad()
- loss.backward()
- optimizer.step()
-
- if iter % 100 == 0:
- print("Iteration: {} loss {}".format(iter, loss.item()))
最后是 Predict 的部分
- predictions = []
- input = x[:, 0, :]
- for _ in range(x.shape[1]):
- input = input.view(1, 1, 1)
- (pred, h0) = model(input, h0)
- input = pred
- predictions.append(pred.detach().numpy().ravel()[0])
假设 x
的 shape 是 [b, seq, 1]
,经过 x[:, 0, :]
之后就变成了 [b, 1]
,但其实前面说过了,batch 值是 1,所以 input 的 shape 就是 [1, 1]
,然后再展开成 [1, 1, 1]
是为了能匹配网络的输入维度
倒数第二行和第三行的代码做的事情是,首先带入第一个值,得到一个输出 pred
,然后把 pred
作为下一次的输入,又得到一个 pred
,如此循环往复,就把上一次的输出,作为下一次的输入
最后的输出图像如下所示
完整代码如下:
- from numpy.random import randint
- import numpy as np
- import torch
- import torch.nn as nn
- import torch.optim as optim
- from matplotlib import pyplot as plt
-
- num_time_steps = 50
- input_size = 1
- hidden_size = 16
- output_size = 1
- lr=0.01
-
- class Net(nn.Module):
- def __init__(self):
- super(Net, self).__init__()
- self.rnn = nn.RNN(
- input_size=input_size,
- hidden_size=hidden_size,
- num_layers=1,
- batch_first=True,
- )
- self.linear = nn.Linear(hidden_size, output_size)
-
- def forward(self, x, h0):
- out, h0 = self.rnn(x, h0)
- # [b, seq, h]
- out = out.view(-1, hidden_size)
- out = self.linear(out)
- out = out.unsqueeze(dim=0)
- return out, h0
-
- model = Net()
- criterion = nn.MSELoss()
- optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr)
-
- h0 = torch.zeros(1, 1, hidden_size)
-
- for iter in range(6000):
- start = randint(3)
- time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps)
- data = np.sin(time_steps)
- data = data.reshape(num_time_steps, 1)
- x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
- y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
-
- output, h0 = model(x, h0)
- h0 = h0.detach()
-
- loss = criterion(output, y)
- model.zero_grad()
- loss.backward()
- optimizer.step()
-
- if iter % 100 == 0:
- print("Iteration: {} loss {}".format(iter, loss.item()))
-
- start = randint(3)
- time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps)
- data = np.sin(time_steps)
- data = data.reshape(num_time_steps, 1)
- x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
- y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)
-
- predictions = []
- input = x[:, 0, :]
- for _ in range(x.shape[1]):
- input = input.view(1, 1, 1)
- (pred, h0) = model(input, h0)
- input = pred
- predictions.append(pred.detach().numpy().ravel()[0])
-
- x = x.data.numpy().ravel() # flatten操作
- y = y.data.numpy()
- plt.scatter(time_steps[:-1], x.ravel(), s=90)
- plt.plot(time_steps[:-1], x.ravel())
-
- plt.scatter(time_steps[1:], predictions)
- plt.show()
同学,你好,请教你一个问题,关于 RNN 初始的隐状态 h0/RNN 最后一步输出的隐表示 h0,h0.detach () 是不对这个变量求导,不更新这个变量的作用吗(不清楚)?谢谢
同学,还有一个问题想请教你一下(也是关于 deatch 的):比如 RNN(一层)先输入前 4 个时刻(t0 到 t3)的值,没有输入初始的隐状态(默认为 0),RNN 每一个时刻输出的隐表示经过一个 linear 作为下一个时刻的预测值(t1 到 t4),hidden 是这个时间段内的最后一个隐表示,这里有一个 hidden.detach (),然后 RNN 输入后 4 个时刻(t4 到 t7)的值,每一个时刻输出的隐表示经过一个 linear 作为下一个时刻的预测值(t5 到 t8),损失函数为,求和:(yi-yi_预测值)^2,i 从 1 到 8。想问一下,这里的 hidden.detach () 有什么作用?谢谢